摘要：在“新工科”为理念的大背景下,针对目前存在的综合设计性实验项目少、科学研究性实验未计入考核、学生解决实际问题能力差等问题进行研究。探讨了实验课程内容、增设虚拟仿真实验,实验考核机制以及实验室条件和师资队伍等问题,以改变现有问题,提升学生创新能力、综合能力。

摘要：管壳式换热器作为应用最广泛的换热器，对其进行优化设计是一个十分重要的研究主题。现有的设计方法多数是基于启发式方法求解或调用商业求解器，其运算速度较慢且不能保证设计解的质量。本文将集合修剪算法应用于管壳式换热器的自动设计，将管外径、管长、壳程直径、管程数、扭曲片节距、扭曲片厚度等定义为离散变量后输入，程序自动输出设计结果与方案。对采用扭曲片内插件的管壳式换热器进行自动设计优化，分别以最小化换热面积、年度总费用、净现值作为优化目标进行单目标优化。对比发现集合修剪算法可以保证设计解的全局最优，同时降低优化求解时间，可在0.5～2s内给出结果。以换热面积最小化为目标函数的优化结果显示，集合修剪算法可得到更小的换热面积，比文献值减少了0.7%，同时采用强化传热可减少换热面积。热流分配在管程时，强化技术降低了7.7%的换热面积，管程侧的压降则提高了16.9%；热流分配在壳程时，则降低14.6%的换热面积，管程压降提高了98.7%。以最小化年度总费用和净现值为目标的优化结果显示，强化传热的费用低于未强化情况，热流分配在管程时费用降低13.1%，分配在壳程时则降低0.57%。此外，换热器的费用也会受到成本参数的影响。

摘要：实现高效、低成本的太阳能光催化全分解水制氢是解决当前环境污染和化石能源过度使用等问题的理想方案.然而,目前光催化分解水的转化效率(低于10%)普遍较低,这成为其实际应用的主要障碍.从太阳光谱的响应范围来看,现有的光催化剂大多局限于紫外光或可见光区域,而近红外光区的光催化剂开发仍然非常有限.尽管近红外光在太阳光谱中占比超过一半,蕴含着巨大的能源潜力,但遗憾的是,目前大部分光催化剂无法在该波段实现高效的光催化反应.根据理论预测,光分解水的转化效率有望随着催化剂响应太阳光波长范围的扩大而显著提高.因此,如何最大限度地利用太阳能,特别是近红外光区域的光能,开发高效的近红外光响应光催化全解水制氢催化剂,已成为当前能源、环境、化学工程领域研究的热点.本文综述了近红外光驱动全分解水光催化剂在材料设计和调控方面的最新进展,涉及窄带隙半导体、带隙工程、上转换效应、局域表面等离子体效应和光敏化作用等策略.首先,从热力学和动力学的角度分析了近红外光驱动全分解水的难点:对于大多数半导体而言,要实现近红外驱动全分解水不仅要求理论带隙窄于1.77 eV,而且必须超过水氧化还原分解电位(1.23 eV),同时由于存在电位损失和动力学过电位,实际的带隙结构应在1.6–2.4 eV,这对半导体的能带结构提出了较为苛刻的要求.此外,全分解水反应的可逆性、溶解氧的影响以及材料的光稳定性问题也是实现近红外光驱动全分解水的挑战.其次,总结了各方法制备的催化剂全分解水制氢的性能,分析了其近红外光子捕获方法的优缺点,特别指出了如何在每种方法的基础上进一步促进光生载流子的分离以及近红外光子的捕获能力(比如:负载贵金属单原子助催化剂、多种方法结合构筑多元复合体系以及光催化剂表面优化等).同时,强调了在近红外驱动全分解水过程中材料特征、催化性质与功能机理三者之间的关系.尤其是利用等离子体效应和光敏化作用来实现近红外光驱动全分解水的机理,目前尚不明确,需要结合理论计算以及先进的时空分辨仪器进一步研究电荷转移机制.另外,总结了全光谱响应的全分解水制氢光催化剂在材料设计和调控方面的最新进展,包括:光敏化作用的应用、带隙调控的策略、局域表面等离子体效应的研究,以及乌尔巴赫带尾吸收捕获技术的探索.最后,归纳并展望了未来近红外驱动全分解水光催化剂所面临的挑战与机遇.尽管近年来国内外学者们围绕着近红外驱动全分解水制氢光催化剂开展了系列研究工作,取得了一些突破性进展,但近红外驱动全分解水制氢效率仍然较低以及对于近红外响应光催化剂的设计和调控方面仍然面临着许多挑战.如何设计和开发廉价、稳定且高效的近红外驱动全分解水制氢光催化剂仍需进一步探索.因此,未来需要结合不同构筑方法的优势来加强近红外区的光捕获能力、实现多元复合材料界面间的精准调控、通过高端原位时空分辨仪器以及理论计算剖析近红外驱动全分解水的过程等方面对近红外响应光催化材料进行深入研究.

摘要：炔烃选择性加氢制烯烃是石油化工领域重要的反应过程。传统的热催化方法在过去的几十年中被广泛研究,而新兴光/电催化方法的研究仍处于初级阶段。得益于催化剂合成方法、结构表征技术和理论计算等的快速发展,逐步揭示了炔烃选择性加氢过程中的催化剂活性位点和反应机理。本文介绍了近年来各类催化剂在炔烃选择性加氢方面的研究进展,总结了设计高性能催化剂的相应调控策略。对比了传统热催化加氢与光/电催化选择性加氢技术路线的不同特点,重点分析了不同类型的催化加氢反应出现的问题及解决策略。最后,对该领域的研究现状进行了简要的概述,提出了该领域面临的主要挑战和未来发展趋势,并展望了未来催化剂设计和调控目标产物选择性等方向。

摘要：随着定向钻井技术的发展,水基钻井液润滑性逐渐成为确保定向井钻进的关键指标,设计新型钻井液润滑材料已成为油田化学领域的研究热点和重点。为探究超支化高分子水基钻井液仿生润滑机理,首先采用发散法合成了第1.5代超支化聚丙烯酸乙二胺基丙烯酸十八酯G1.5 P(EDA—MA—OA),然后进行了合成产物结构、微观形貌与热稳定性检测及其强化水基钻井液润滑性能评价,最后系统分析了超支化高分子与膨润土粒子的吸附行为。研究结果表明:①G1.5 P是粒径分布在几十纳米的分散性粒子,具有良好的热稳定性,热解温度集中在214℃;②以G1.5 P为润滑添加剂,构建的水基钻井液润滑系数为0.068,具有良好降摩减磨性;③G1.5 P呈“分子刷”状吸附于亲水材料表面,不仅改变了表面润湿性,而且还可促进膨润土粒子聚结形成致密、韧性的泥饼;④基于超支化高分子强化水基钻井液润滑的构效关系,提出了一种水基钻井液边界—固体润滑新模型,即超支化高分子促进在钻具与井壁摩擦副间形成低剪切强度泥饼,以泥饼结构内摩擦代替钻具刚性外摩擦,实现钻井液降摩减磨功能。结论认为,该认识完善了水基钻井液润滑添加剂的设计思路,为新型高性能润滑处理剂设计及超滑水基钻井液的开发提供了理论与技术支撑。

摘要：溶气设备是溶气释放式微细气泡发生系统的重要组成部分,基于自主设计研发的射流强化非填料式溶气设备,对其在不同操作参数下的工作性能开展了实验研究。采用WTW手持式溶解氧测定仪实施全程在线带压测量,同时以空气在水中溶解氧浓度的变化率直接表征溶气性能。结果表明,新型溶气设备在低能耗下仍具有较高的溶气性能;溶气性能随气液比的增加而增加,溶气效率随着溶气压力的增加而降低,随着进水流量的增加呈现出先增加后减小的趋势,氧转移传质系数随溶气压力和进水流量的增加而增加,最佳进水流量区间为0.7~0.9m^(3)/h。由于新型溶气设备在使用普通球阀减压释气成泡时,仍能产生高质量的微细气泡,占地面积远小于传统设备且不易堵塞,因此在实际工程应用中更具优势。

摘要：为了研究冲击微动磨损对蒸汽发生器换热管的影响,在200,250,285℃温度下开展了Inconel 690TT管与SUS405支撑的冲击微动磨损试验研究,通过扫描电子显微镜和能谱仪手段对磨损特征开展系统分析。结果表明,250℃和285℃温度下的磨损量相近,明显大于200℃下的试验结果。对磨损表面的分析发现,温度的升高会导致表面产生更为显著的剥层现象和表面硬度降低,进而导致磨损体积的增加。从能谱仪分析结果来看,在250℃和285℃下,氧化变得严重,但从C和Fe的含量来看,质量转移并不严重,但随温度上升质量转移略有上升。这说明冲击磨损主要的磨损机制是剥层,粘着磨损随着温度升高有上升趋势。冲击微动磨损机理研究结果对蒸汽发生器后续研究、设计和维护具有重要意义。

摘要：将化工热力学溶液理论和化工流程模拟有机结合,设计了正己烷-甲基环戊烷萃取精馏计算型实验。通过类导体屏蔽电荷真实溶液模型(conductor-like screening model for real solvents,COSMO-RS)计算,基于溶解性、选择性指标筛选离子液体溶剂;通过量子化学计算及屏蔽电荷密度曲线分析溶剂和溶质分子相互作用,探究离子液体促进分离过程的机理;基于筛选的溶剂,利用Aspen Plus软件计算优化萃取分离工艺。该综合实验融合了化工热力学、化工原理和过程系统工程等专业课程内容,同时将学科理论知识与工程实践应用有机结合,强化了专业基本功训练,激发了研究兴趣,提升了创新能力。

摘要：为高效、经济及绿色地处理难降解有机废水,设想引入极性诱导效应,提高季铵盐表面活性剂对膨润土的功能改性效率,从而获得性能更优的改性膨润土材料,用于对难降解有机废水的吸附处理。设计一种“来源便利”的极性诱导季铵盐表面活性剂(3-氯-2-羟丙基十二烷基二甲基氯化铵,C12-CHDMAC),制备新型改性膨润土材料,即C12-改性膨润土。结果表明:①所得C12-改性膨润土所含表面活性剂关键元素C、H、N含量分别为23.51%、5.72%和2.65%,远高于常规类似结构季铵盐表面活性剂改性膨润土所含对应元素含量(分别为14.56%、3.99%和1.58%),成功获得了功能改性率更高的改性膨润土材料。②以吸附有机染料废水为例,考察C12-改性膨润土作为吸附剂吸附处理难降解有机废水的能力,其吸附容量为活性炭的203.21倍,具有较强的吸附净水能力。③通过系列化吸附动力学、吸附热力学和现代仪器分析技术,深入探究了C12-改性膨润土吸附处理难降解有机废水的作用行为,提出了相关作用机制的理论解释。④制备过程中产生的剩余滤液,具备直接回收重复利用或直接功能化使用的特性,以此可提高原料利用率,并杜绝生产废液的“二次污染”,因而所设计的制备工艺具有经济高效、绿色环保的优势。研究显示,C12-改性膨润土可以高效、经济及绿色地吸附处理难降解有机废水,应用前景良好。

摘要：油泥超声波除油技术绿色环保,但目前除油效率不高、机理不明,在工业中未得到广泛应用。针对南方某油田高含油钻屑油泥的特性,设计了一套油泥超声除油试验装置,考察了超声频率、超声功率、超声温度等7个主要因素对除油效果的影响。结果表明:超声频率、超声功率、超声作用时间、固液比(油基钻屑与水质量比)和pH对油泥除油效果影响较大,而超声温度和超声处理次数对除油效果影响较小。在最佳工艺条件下,除油率达到57.18%;当超声空化作用产生的剪切力大于油与固体颗粒之间的相互作用力时,附着在固体颗粒表面的油分脱附,且随温度升高和固液比降低,油泥的黏度降低,超声空化作用增强;弱碱环境下HSiO3-占据油泥颗粒吸附位点,可阻止油的再吸附,除油效率较高。